一种新型多目标串联型短路限流控制器的研究

摘要：提出一种串联型短路限流控制器，采用背靠背换流器与限流电抗器串联的方式，在系统未发生短路故障时，背靠背换流器可以实现电压补偿、谐波抑制等功能，当发生短路时，将换流器切出，使短路限流电抗器工作。分析了电路的拓扑结构和控制原理，采用完全补偿法对电压进行补偿，采用电源电流检测法滤除系统中的谐波，然后用PSCAD进行了仿真和实验验证。
关键词：控制器；短路限流；串联型；电压补偿

1 引言
很多破坏电力系统正常运行的情况是由短路故障引起的。随着电力系统容量的不断增加，电网中的短路电流问题也随之增多，因而限制电力系统短路电流已成为一个急需解决的问题。由于电力电子技术及大容量电力电子器件的快速发展，电力电子短路限流器(FCL)是限制短路电流一个较有效手段。它具有动作速度快、允许动作次数多、控制方便等优点，具有很好的应用前景。
这里将短路限流控制装置和限流电抗器串联后接在电源和负载之间，在系统正常运行时，换流器用于补偿限流电抗器产生的电压降，并抑制电抗器和负载产生的谐波，同时可消除电压暂升、电压暂降及三相不平衡等问题，当系统发生短路时将控制装置切出，此时限流电抗器起到了限制短路电流的作用。
电感器应用
2 原理与设计
2．1 主电路拓扑
图1为限流电抗器串联FCL控制器主电路拓扑。电网侧电压经3个单相FCL控制器，单相FCL控制器由单相PWM整流器和单相逆变器组成。
单相PWM整流器输出的直流电压作为3个单相逆变器的直流电源，逆变器的输出补偿由限流电抗器和负载产生的压降和谐波。L1，L2，L3为限流电抗器；G1，G2，G3为用于切出换流器的双向晶闸管；K1，K2，K3用于切出整个装置。

2．2 单相PWM整流器的控制策略
PWM整流器具有输入电流谐波含量低，功率因数高、体积小、重量轻等特点。其控制策略为：将实际直流侧电压Ud与给定期望值Uref作差，所得结果经PI控制器，其输出量乘以交流电压信号的单位量sinA，之塑封电感器后得到电流iref，与电感电流ia作差经PI控制器，保证了电感电流跟踪输入电压，最后产生的调制信号与三角波载波信号比较控制得到IGBT模块的驱动信号。
2．3 单相逆变器控制策略
逆变器控制分2部分，首先是对电压的跟踪控制，即逆变器的输出电压补偿因限流电抗器和负载产生的电压降落和无功损耗，然后是抑制系统中的谐波，即起到串联APF的作用，最后将上述两个调制信号进行叠加作为逆变器给定电压参考量与逆变器的实测电压作差经比例积分控制，保证了逆变器电压跟踪参考电压，最后与三角波载波信号比较控制得到IGBT模块的驱动信号。
2．3．1 电压降落的动态跟踪控制
目前对于电压降落的补偿方式主要有同相补偿、完全补偿、最小能量补偿这3种控制策略。这里采用完全补偿法。该方法可使补偿后的负载电流与理想参考电压的幅值和相位均相同，即实现了负载电压的连续性，在装置容量足够大时，它是一种理想的补偿方法。
短路限流控制器与限流电抗器串联于系统中，当系统未发生暂降或暂升，且此时假设负载为阻感的，则在系统中不存在谐波影响，那么可将该拓扑简化大功率电感贴片电感器，如图2所示。

当系统未发生暂降或暂升，可得如图3a所示相量图。由于各物理量均随时间变化，该控制方法也是动态的，以期望的参考电压相量uref为基准，由于无暂降或暂升，因此电源电压相量us与uref重合，其中φLx为uLx与us夹角，由完全补偿法原理知，uL与us幅值和方向均相同，故图4a的四边形为平行四边形，于是可得补偿电压Ucom=-uLx。
为使控制更加精确，可令△U=Us-UL，对上式加以修正，其中Us，Ucom，ULx，UL分别为us，ucom，uLx，uL的幅值，则可得逆变器输出的补偿电压为：
Ucom=-ULx+△U，&p绕行电感hi;com=-φLxh+π (1)
当系统发生电压暂降时，如图3b所示，由完全补偿法原理可知，uL与us的幅值和方向均相同，为计算补偿电压的大小，可设中间量um的有效值为Um，补偿电压相量的大小和角度的推导为：

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